Nature子刊｜觀測(cè)生命的動(dòng)態(tài)：納米傳感器如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)過(guò)程的實(shí)時(shí)解碼

生命是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。然而，我們理解生命的基本單位——細(xì)胞的方式，卻常常是靜態(tài)的。傳統(tǒng)的細(xì)胞分析技術(shù)，無(wú)論是測(cè)序還是質(zhì)譜，都不得不以“殺死”細(xì)胞為代價(jià)，這如同通過(guò)研究一張張靜態(tài)的化石照片，來(lái)試圖理解一群飛鳥(niǎo)的遷徙行為，必然丟失了其中最關(guān)鍵的時(shí)間、空間和動(dòng)態(tài)信息。如今，一場(chǎng)由納米技術(shù)驅(qū)動(dòng)的范式革命正在悄然發(fā)生。納米傳感器正以其微小的尺度和精巧的設(shè)計(jì)，讓我們得以在不干擾細(xì)胞正常生命活動(dòng)的前提下，潛入其內(nèi)部世界，對(duì)離子、代謝物、電信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位的監(jiān)測(cè)。這標(biāo)志著我們正從“終點(diǎn)式”的破壞性讀取，邁向構(gòu)建“細(xì)胞內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室”的新時(shí)代。

圖1.實(shí)時(shí)原位生物分子細(xì)胞內(nèi)監(jiān)測(cè)

2025年10月15日，Nature Nanotechnology在線(xiàn)發(fā)表了一篇名為“Nanosensors for real-time intracellular analytics”的綜述性論文。在該綜述中，作者提出了一個(gè)清晰的框架，將這類(lèi)技術(shù)依據(jù)其空間位置分為三類(lèi)：近細(xì)胞、貼細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)。這一分類(lèi)不僅厘清了技術(shù)路徑，更深刻揭示了在微創(chuàng)性、信號(hào)保真度和分辨率之間的權(quán)衡。本文將帶你深入這一前沿領(lǐng)域，看這些納米尺度的“智能探針”如何為我們揭開(kāi)生命動(dòng)態(tài)的面紗。

臨床的“火眼金睛”：為何我們需要探測(cè)細(xì)胞內(nèi)部？

傳統(tǒng)的疾病診斷主要依賴(lài)于血液和組織液等生物體液中的生物標(biāo)志物。然而，細(xì)胞內(nèi)生物標(biāo)志物在早期診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：它們通常在疾病更早階段出現(xiàn)，并且能更準(zhǔn)確地反映細(xì)胞真實(shí)狀態(tài)，因?yàn)樗苊饬思?xì)胞外檢測(cè)中固有的稀釋效應(yīng)和系統(tǒng)性變異。更重要的是，細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞分辨率，這對(duì)于揭示癌癥、神經(jīng)退行性疾病和感染等疾病中關(guān)鍵的細(xì)胞異質(zhì)性至關(guān)重要。

表1.來(lái)自細(xì)胞和亞細(xì)胞區(qū)室的臨床相關(guān)生物標(biāo)志物

盡管本篇綜述討論的大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)傳感技術(shù)應(yīng)用于離體或體外環(huán)境，但其巨大價(jià)值在于，它們能提供傳統(tǒng)體內(nèi)方法難以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)、高分辨率的細(xì)胞洞察。這些技術(shù)在探索亞細(xì)胞生物學(xué)，尤其是在患者來(lái)源的類(lèi)器官、培養(yǎng)的原代細(xì)胞或單細(xì)胞平臺(tái)等系統(tǒng)中，提供了無(wú)與倫比的控制力和精確度。因此，細(xì)胞內(nèi)傳感技術(shù)正在架起連接基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)與臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵橋梁。

按距離劃分的傳感器模式

近細(xì)胞傳感器：

這類(lèi)傳感器位于細(xì)胞膜附近，通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞擴(kuò)散或分泌出的生物標(biāo)志物進(jìn)行工作。其核心優(yōu)勢(shì)在于非侵入性和高空間分辨率，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

l掃描電化學(xué)顯微鏡：通過(guò)檢測(cè)氧化還原電流變化，繪制細(xì)胞表面附近的化學(xué)活性圖譜，已應(yīng)用于葡萄糖、乳酸流量及微生物信號(hào)代謝物的研究。

l微電極陣列：由微電極組成的陣列，可記錄細(xì)胞外電信號(hào)或測(cè)量周?chē)h(huán)境的電化學(xué)變化，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元和心肌細(xì)胞電活動(dòng)的無(wú)標(biāo)記長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

l表面等離子體共振：通過(guò)檢測(cè)分子結(jié)合或離子相互作用引起的折射率變化進(jìn)行傳感，已用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞外鉀離子濃度及鈣信號(hào)傳導(dǎo)的可視化。

近細(xì)胞傳感器雖具擴(kuò)展性和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)細(xì)胞內(nèi)過(guò)程的測(cè)量是間接的，且因信號(hào)擴(kuò)散可能導(dǎo)致特異性降低。

圖2.近細(xì)胞傳感器

貼細(xì)胞傳感器：

此類(lèi)傳感器與細(xì)胞膜直接接觸，通過(guò)電穿孔、光穿孔等技術(shù)瞬時(shí)破壞質(zhì)膜，建立局部化的細(xì)胞內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)通道，在微創(chuàng)性與高分辨率訪(fǎng)問(wèn)之間取得平衡。

l微/納米吸管：通過(guò)物理插入功能化的錐形玻璃探針，可高空間精度地測(cè)量pH、細(xì)胞內(nèi)電位、葡萄糖水平和活性氧。

l納米電極陣列：將高密度垂直納米結(jié)構(gòu)與微電子平臺(tái)集成，通過(guò)局部電穿孔或自發(fā)穿透記錄膜電位、活性氧和NADH水平。

圖3.監(jiān)測(cè)細(xì)胞生物標(biāo)志物的貼細(xì)胞技術(shù)

l表面增強(qiáng)拉曼散射和原子力顯微鏡探針：SERS探針能無(wú)標(biāo)記地檢測(cè)鐵離子等分子，提供獨(dú)特的分子“指紋”；而AFM探針甚至能像“內(nèi)窺鏡”一樣插入細(xì)胞，繪制細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。

圖4.貼細(xì)胞光學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞生物標(biāo)志物

貼細(xì)胞傳感器彌合了外部觀察與細(xì)胞內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)之間的鴻溝，但其在通量、可重復(fù)性和維持細(xì)胞活性方面仍面臨挑戰(zhàn)。

細(xì)胞內(nèi)傳感器：

這類(lèi)傳感器完全在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞器內(nèi)運(yùn)作，提供對(duì)亞細(xì)胞環(huán)境的直接、動(dòng)態(tài)訪(fǎng)問(wèn)，是實(shí)現(xiàn)分子精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

l熒光傳感器：利用熒光標(biāo)記染料或基因編碼指示劑，報(bào)告離子、pH、ATP、葡萄糖、活性氧等，具有高靈敏度和特異性，但可能受光漂白和探針擴(kuò)散限制。

l納米機(jī)器人與納米電機(jī)：通過(guò)化學(xué)、聲學(xué)或磁性輸入驅(qū)動(dòng)，可主動(dòng)檢測(cè)miRNA、DNA和蛋白質(zhì)等特定生物分子，并能量化細(xì)胞質(zhì)粘度等物理特性。

l氣體囊泡與聲學(xué)報(bào)告基因：通過(guò)基因編碼的氣體囊泡實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)非侵入性超聲成像，提供了深組織成像潛力。

l細(xì)胞內(nèi)芯片和無(wú)線(xiàn)設(shè)備：微型化植入式傳感器可報(bào)告流體靜壓、細(xì)胞質(zhì)機(jī)械變化和實(shí)時(shí)生物標(biāo)志物波動(dòng)，是極具創(chuàng)新性的讀出模型。

細(xì)胞內(nèi)傳感器能以前所未有的分子精度揭示亞細(xì)胞動(dòng)態(tài)，但其在運(yùn)動(dòng)控制、生物相容性和信號(hào)提取方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5.細(xì)胞生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)的細(xì)胞內(nèi)技術(shù)

展望：智能傳感的未來(lái)與挑戰(zhàn)

隨著實(shí)時(shí)細(xì)胞內(nèi)納米傳感技術(shù)的發(fā)展，我們正進(jìn)入一個(gè)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞內(nèi)物理參數(shù)和化學(xué)標(biāo)志物的新時(shí)代。這些技術(shù)為解析細(xì)胞異質(zhì)性、評(píng)估單細(xì)胞水平的藥效提供了獨(dú)特價(jià)值。特別值得關(guān)注的是"細(xì)胞可穿戴設(shè)備"的出現(xiàn)，這些能與細(xì)胞復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)貼合的納米傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞行為的連續(xù)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

未來(lái)發(fā)展方向聚焦于三大融合：

與類(lèi)器官模型的融合：實(shí)時(shí)傳感技術(shù)與類(lèi)器官結(jié)合催生的"智能類(lèi)器官"，能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)并報(bào)告其內(nèi)部狀態(tài)，為個(gè)性化診療開(kāi)辟新途徑。

與人工智能的協(xié)同：AI通過(guò)識(shí)別復(fù)雜數(shù)據(jù)集中的模式，使納米傳感器從被動(dòng)觀察者升級(jí)為智能系統(tǒng)，能夠優(yōu)化測(cè)量參數(shù)、提高準(zhǔn)確性并預(yù)測(cè)生物學(xué)結(jié)果，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的臨床決策提供支持。

技術(shù)挑戰(zhàn)的突破：盡管前景廣闊，該領(lǐng)域仍面臨若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

l微型化制造：在納米尺度保持傳感器信號(hào)質(zhì)量與功能的一致性

l細(xì)胞內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)：突破質(zhì)膜屏障同時(shí)維持細(xì)胞正常功能

l生物相容性：確保傳感器在細(xì)胞內(nèi)保持惰性，最小化對(duì)細(xì)胞平衡的干擾

l多參數(shù)傳感：實(shí)現(xiàn)物理與化學(xué)標(biāo)志物的同步檢測(cè)

l3D集成：將納米傳感器嵌入類(lèi)器官等三維組織模型，同時(shí)保持其完整性

結(jié)語(yǔ)

納米傳感器與AI的融合，代表了我們向著以卓越精度監(jiān)測(cè)和影響細(xì)胞過(guò)程這一未來(lái)邁出的重要一步。克服這些挑戰(zhàn)將加速開(kāi)發(fā)具有多路復(fù)用和多模態(tài)功能的實(shí)時(shí)細(xì)胞內(nèi)納米傳感器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞機(jī)制的全面理解，為早期疾病檢測(cè)、精準(zhǔn)藥物反應(yīng)評(píng)估和個(gè)性化治療干預(yù)奠定基礎(chǔ)。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02032-w

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